Heterogeneous 2D/2D MnO2/MXene catalyst for nitrate-to-ammonia electrochemical reduction and Zn-nitrate battery behavior

Bài báo thuộc danh mục ISI (Q1) do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- khoa Khoa học cơ bản trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Phùng Thị Việt Bắc; TS. Nguyễn Phi Long; Cử nhân Phú Thị Kim Cương; TS. Nguyễn An Giang; Cử nhân Trần Thị Minh Anh- Trường VinUniversity; TS. Phạm Thanh Ngọc- Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh; TS. Nguyễn Lê Ngân- Đại học Văn Lang đăng trên tạp chí IScience ngày 22 tháng 5 năm 2025 do nhà xuất bản Elsevier phát hành.

Amoniac (NH₃) là chất rất thiết yếu để sản xuất các hợp chất liên quan đến nitơ và cũng là chất chứa hydro với hàm lượng hydrogen cao. Hiện nay, sản xuất NH3 thực tế chủ yếu dùng quy trình Haber-Bosch tốn nhiều năng lượng. Tổng hợp amoniac điện hóa ở nhiệt độ môi trường thông qua phản ứng khử nitrat (NO3RR) là một giải pháp hứa hẹn thay thế cho quy trình Haber-Bosch tiêu tốn nhiều năng lượng nhưng chưa có chất xúc tác điện hiệu quả cho các ứng dụng thực tế. Trong công trình này, các tấm MnO2 hai chiều được đặt trên cấu trúc vật liệu hai chiều MXene Ti3C2Tx, tạo thành chất xúc tác không đồng nhất cho NO3RR với sản lượng amoniac là 14,06 ± 0,48 mg h−1.mgcat−1 ở hiệu điện thế −1,2 V so với điện cực hydro thuận nghịch (so với RHE) và hiệu suất Faradaic (FE) là 85,23 ± 1,62% ở −1,0 so với RHE, cùng với độ ổn định tốt trong sáu chu kỳ liên tiếp, với NH3 FE vượt quá 75% ở −1,0 V so với RHE trong chất điện phân K2SO4 0,5 M và KNO3 0,1 M. Với vai trò là catốt trong pin Zn-NO3− với tấm Zn được đánh bóng từ pin Zn-C đã qua sử dụng làm anot, nó tạo ra mật độ công suất là 0,323 mW cm−2 và NH3 FE là ∼79,9%. Nghiên cứu này làm nổi bật một chất xúc tác điện cực kỳ hiệu quả cho NO3RR và khả năng áp dụng của nó trong sản xuất NH3 tự cung cấp năng lượng.

Abstract: Ambient temperature electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction reaction (NO3RR) is a promising alternative to the energy-intensive Haber-Bosch process but lacks effective electrocatalysts for practical applications. In this work, MnO2 2D-nanoflakes are anchored onto 2D-MXene Ti3C2Tx, forming a heterogeneous catalyst for NO3RR with an ammonia yield of 14.06 ± 0.48 mg.h-1.mgcat-1 at -1.2 V versus Reversible Hydrogen Electrode (vs. RHE) and a Faradaic efficiency (FE) of 85.23 ± 1.62% at -1.0 vs. RHE, along with good stability over six consecutive cycles, with NH3 FE exceeding 75% at -1.0 V vs. RHE in 0.5 M K2SO4 and 0.1 M KNO3 electrolyte. As a cathode in a Zn-NO3- battery with a polished Zn plate from spent Zn-C batteries as anode, it delivers a power density of 0.323 mW.cm-2 and NH3 FE of ∼79.9%. This study highlights a highly effective electrocatalyst for NO3RR and its potential in self-powered NH3 production.

Keyword: MnO2/MXene; Ammonia; (NO3RR

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.112729

Một vài hình vẽ trong bài báo